电火花线切割制备超疏水铜表面的正交试验

许金凯，张林帅，弯艳玲，廉中旭，于化东

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

超疏水表面由于其疏水、自洁、减阻、抗污染等性能，在生物医用［1］、管道微流［2］、抗菌用品［3］、太阳能电池板［4］等领域有着极为广泛的应用。金属基超疏水材料是以金属为基体，在其表面制备特殊粗糙结构，再进行低表面能物质修饰，从而达到超疏水效果。金属基超疏水材料由于使用金属基体，在很大程度上保留了金属的优良性能，同时具备超疏水材料的功能［5］。目前金属基体表面微纳结构的制备方法有：化学刻蚀方法［6，7］、热氧化法［8］、电化学加工方法［9，10］、激光刻蚀法［11］、溶胶凝胶法［12，13］。但是，这些方法操作复杂或需要较为昂贵的设备，限制了金属基超疏水表面的工业化生产。

高速电火花线切割是精密加工的一种，不仅适用于金属表面的微细加工，且加工效率较高，具有优于普通加工的优势。高速电火花线切割技术比较容易加工出兼具微米、纳米复合结构的金属表面，且结构尺寸大小可以通过调节加工参数进行控制。本文通过电火花线切割加工技术，在铜基材料表面构建复合粗糙结构，经自组装技术处理后实现金属基超疏水表面的制备。采用试验优化方法对电火花线切割加工中的脉冲宽度、脉冲间隔和功率管等放电参数进行了正交优化，采用方差分析方法获取超疏水铜表面的制备参数，并分析加工参数对铜基材料表面疏水性能的影响，为超疏水功能性铜表面的制备提供技术参考和理论支撑。

1 试验

1.1 试验材料和仪器

材料：黄铜；甲醇；全氟癸基三乙氧基硅烷；丙酮；无水乙醇；去离子水。

仪器：OCA20型视频光学接触角测量仪（德国）、JMS-6700FI冷场发射扫描电子显微镜（日本）、BK-240B超声振荡清洗仪、NB-9123A干燥箱、UNIPoL-802抛光机、DK7732电火花线切割机床。

1.2 试验方法

为保证加工表面的平整，采用抛光机对黄铜表面进行抛光，然后在电火花线切割机床上进行粗糙结构的加工，加工后的试样依次采用丙酮、无水乙醇、去离子水在超声振荡清洗仪中清洗。然后放置在质量比为1：100的全氟癸基三乙氧基硅烷和甲醇混合溶液中，浸泡40min后取出，最后放入135℃的干燥箱中烘干40min待测。

1.3 测试与表征

采用视频光学接触角测量仪测量试件表面的静态接触角和滚动角，同一试样选取5个不同的位置分别测量（水滴放置1min后进行测量），取其平均值。水滴大小为5μL。滚动角的测试方法采取先倾后滴法，即先将滚动角测量滑台倾斜适当角度，然后让水滴落在试件表面上，观察水滴是否滑落表面，若滑落则记录此时倾斜角度，即为所测滚动角。采用扫描电子显微镜观察样品表面形貌。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验优化及方差分析

电火花线切割机床在切割时，高频率的连续放电会在工件表面产生微小的陨石坑，通过变化电火花线切割机床的脉冲宽度、脉冲间隔和峰值电流（功率管个数）等放电参数会形成不同的表面形貌，实现对加工表面的有效控制。为获取最佳的超疏水表面加工参数，采用L9（34）正交表［14］优化电火花线切割加工参数，以加工后的表面静态接触角（CA）为试验指标值。

在电火花线切割黄铜表面时发现，当脉冲间隔为48μs，加工时会出现断丝现象；而当增大脉冲间隔至144μs时，加工速度会有明显下降。此外，由于脉冲间隔对试样表面形貌影响较小，且增大脉冲间隔时，试样表面仍表现出超疏水性能。综合考虑到电火花线切割机床的加工速度和效率，因素水平选取如表1所示，采用方差分析方法对试验结果进行分析，试验方案及结果见表2。

表1 因素水平表

表2中：yjk为第 j因素k水平时所对应的试验指标和；Δj为第 j因素的极差；Sf为列偏差平方和；Fj为因素的F比；aj为相应因素的显著水平；Se为误差偏差平方和；f为误差自由度；Sn为空列的偏差平方和。

由表2分析可知，脉冲间隔对试样指标的影响最大，功率管个数次之，脉冲宽度影响最小。本实验的最优组合为A1B1C3，即当脉冲宽度为32μs，脉冲间隔为128μs，功率管为2个时，试验指标最好，置信度为90%。此时，试样表面的接触角为156.42°，滚动角为3°。如图1所示水滴在该试样表面的形态呈球状。此时试样表面形成了陨石坑-突起复合结构（图2），由Cassie润湿机理可知［15］，当水滴和试样表面相接触时，陨石坑-突起复合结构可以捕获了大量空气，形成“气垫”效应，增大了水滴与空气的接触面积（水滴与空气接触面积占复合界面的86.51%），从而实现了超疏水性能。

图1 水滴在铜表面的接触状态

表2 试验方案及方差分析

此外，在电火花线切割加工参数对铜表面疏水性能影响的正交试验中，样品表面的接触角除个别试样外均大于150°，说明了电火花线切割加工和自组装技术相结合对超疏水铜表面的制备具有很好的适用性，为超疏水功能表面的工业化生产提供了技术参考。此外，将加工的试样放在空气中3～4个月后，接触角测量结果未发生明显变化，表明了制备的超疏水铜表面具有良好的稳定性。

2.2 各因素对表面静态接触角的影响规律

为研究各因素对试件表面静态接触角的影响规律，根据正交试验结果分别以静态接触角CA为指标绘制成图3所示曲线。

图3为各个因素水平对试件表面静态接触角的影响规律。由图3（a）可知，当脉冲宽度在16～32μs范围变化时，随着脉冲宽度的增加，试样表面的接触角增大。分析其原因，在电火花线切割加工过程中，当脉冲宽度较小时，脉冲放电能量较小，试样表面产生的陨石坑尺寸较小，试件表面的质量较好，其表面粗糙程度不高；当脉冲宽度增加时，切割速度增加，但表面质量下降，试件表面的陨石坑直径和表面峰谷间距均增大，而突起数目减少，获得了超疏水表面所需的粗糙结构，且随着粗糙度的增加，接触角变大，在氟化处理后，表面呈现疏水性。

由图3（b）可知，当脉冲间隔在64～128μs范围变化时，随着脉冲间隔的增大，接触角增大，但两者呈非线性变化。在电火花线切割加工过程中脉冲间隔影响电蚀物的排出，过小的脉冲间隔会导致电蚀物的堆积，不仅影响加工精度，而且容易断丝。因此，在电火花加工疏水物质表面时，选择合适的脉冲间隔是获得超疏水表面的条件之一，也是保证加工精度和加工效率的有效手段。

由图3（c）可知，随着功率管个数的增加，试样表面的接触角减小。这是因为，当功率管个数较少时，单个脉冲能量越小，在铜表面产生的放电痕较小，陨石坑的间距变小，但间径比有可能提高，试件单位面积储存空气的能力得到提高，故试件表面接触角增大。由单因素试验可知，当脉冲宽度为32μs，脉冲间隔为128μs，当功率管为2个时，试样表面的陨石坑尺寸小，突起较多，表面峰谷最大间距约为26.30μm。而当功率管个数为6时，试样表面的陨石坑结构较大，表面峰谷最大间距增大到33.36μm。

综上所述，在电火花加工过程中，加工参数直接影响试件表面的微观结构，而微观结构是超疏水表面制备的重要因素之一，只有一定尺度和比值的微观结构才可以形成超疏水性表面。

3 结论

通过改变电火花线切割加工参数可以实现铜表面复合粗糙结构尺寸和疏水性能的加工控制，为确定超疏水铜表面的最佳加工参数，通过正交试验方法优化了超疏水铜表面的加工工艺，并分析了电火花线切割机床的脉冲宽度、脉冲间隔和功率管个数与黄铜表面疏水性能的关系，结论如下：

（1）脉冲间隔对试样指标的影响最大，功率管个数次之，脉冲宽度影响最小。当脉冲宽度为32μs，脉冲间隔为128μs，功率管为2个时，制备的铜表面接触角最好为156.42°，并具有良好的时间稳定性。

（2）水滴在铜表面的超疏水状态源于电火花加工过程在试样表面形成的陨石坑-突起复合结构能捕获大量的空气，在铜表面形成了“气垫”效应，从而增大了水滴与空气的接触面积。

综上所述，在电火花加工过程中，为获得较好的疏水性能，必须严格控制电火花线切割加工参数，但由于电加工过程中复杂的加工机理以及不同超疏水形貌结构参数的要求，还需要更多的实验数据来验证和归纳电火花线切割技术加工超疏水表面的工艺参数和基本规律。

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